浏览器原理 12 # 垃圾回收：垃圾数据是如何自动回收的？

说明

浏览器工作原理与实践专栏学习笔记

什么是垃圾数据

有些数据被使用之后，可能就不再需要了，我们把这种数据称为垃圾数据。

不同语言的垃圾回收策略

垃圾数据回收分为手动回收和自动回收两种策略。

手动回收

如 C/C++ 就是使用手动回收策略，何时分配内存、何时销毁内存都是由代码控制的：

分配内存–>指向内存–>使用结束后，销毁这段内存。如果数据已经不再需要了，但是又没有主动调用函数来销毁，那么这种情况就被称为内存泄漏。

自动回收

如 JavaScript、Java、Python 等语言，产生的垃圾数据是由垃圾回收器来释放的，并不需要手动通过代码来释放。

调用栈中的数据是如何回收的

ESP

我们先熟悉一下汇编语言关键词：ESP、EBP

ESP（Extended Stack Pointer）为扩展栈指针寄存器，是指针寄存器的一种，用于存放函数栈顶指针。与之对应的是EBP（Extended Base Pointer），扩展基址指针寄存器，也被称为帧指针寄存器，用于存放函数栈底指针。------>来自百度百科

例子

function foo(){
    var a = 1
    var b = {name:"极客邦"}
    function showName(){
      var c = 2
      var d = {name:"极客时间"}
    }
    showName()
}
foo()

当执行到第 6 行代码时：内存模型如下

当 foo 函数执行结束之后，foo 函数的执行上下文会从堆中被销毁掉，那么它是怎么被销毁的呢？

过程分析：

1. 如果执行到 showName 函数时，那么 JavaScript 引擎会创建 showName 函数的执行上下文
2. 将 showName 函数的执行上下文压入到调用栈中，与此同时，还有一个记录当前执行状态的指针（称为 ESP）
3. ESP 指向调用栈中 showName 函数的执行上下文，表示当前正在执行 showName 函数。
4. 当 showName 函数执行完成之后，函数执行流程就进入了 foo 函数（这时就需要销毁 showName 函数的执行上下文）
5. JavaScript 会将 ESP 下移到 foo 函数的执行上下文，这个下移操作就是销毁 showName 函数执行上下文的过程。

移动 ESP 前后的对比图：

当一个函数执行结束之后，JavaScript 引擎会通过向下移动 ESP 来销毁该函数保存在栈中的执行上下文。

堆中的数据是如何回收的

foo 函数执行结束之后，ESP 应该是指向全局执行上下文，showName 函数和 foo 函数的执行上下文就处于无效状态了，不过保存在堆中的两个对象依然占用着空间。

内存状态图：我们可以看到 1003 和 1050 这两块内存依然被占用。

要回收堆中的垃圾数据，就需要用到 JavaScript 中的垃圾回收器。

V8 是如何实现回收？

代际假说和分代收集

代际假说（The Generational Hypothesis）

垃圾回收领域中一个重要的术语，后续垃圾回收的策略都是建立在该假说的基础之上的，很重要。

两个特点

1. 第一个：大部分对象在内存中存在的时间很短，简单来说，就是很多对象一经分配内存，很快就变得不可访问
2. 第二个：不死的对象，会活得更久

分代收集

两个区域：

V8 中会把堆分为新生代和老生代两个区域

1. 新生代：存放的是生存时间短的对象，通常只支持 1～8M 的容量
2. 老生代：存放的生存时间久的对象

两个垃圾回收器

V8 分别使用两个不同的垃圾回收器，以便更高效地实施垃圾回收。

1. 副垃圾回收器，主要负责新生代的垃圾回收。
2. 主垃圾回收器，主要负责老生代的垃圾回收。

V8 把堆分成两个区域——新生代和老生代，并分别使用两个不同的垃圾回收器。

垃圾回收器的工作流程

不论什么类型的垃圾回收器，它们都有一套共同的执行流程。

• 第一步：标记空间中活动对象和非活动对象。
• 第二步：回收非活动对象所占据的内存。

• 其实就是在所有的标记完成之后，统一清理内存中所有被标记为可回收的对象。

• 第三步：做内存整理。

• 如果需要分配较大连续内存的时候，就有可能出现内存不足的情况。

概念

活动对象：还在使用的对象

非活动对象：可以进行垃圾回收的对象

内存碎片：一般来说，频繁回收对象后，内存中就会存在大量不连续空间，这些不连续的内存空间称为内存碎片

对象晋升策略：经过两次垃圾回收依然还存活的对象，会被移动到老生区中。

副垃圾回收器

副垃圾回收器主要负责新生区的垃圾回收。

新生代中用 Scavenge 算法来处理。

Scavenge 算法：把新生代空间对半划分为两个区域，一半是对象区域，一半是空闲区域，新加入的对象都会存放到对象区域，当对象区域快被写满时，就需要执行一次垃圾清理操作。

如下图所示：

1. 首先要对对象区域中的垃圾做标记
2. 副垃圾回收器会把这些存活的对象复制到空闲区域中，同时它还会把这些对象有序地排列起来
3. 完成复制后，对象区域与空闲区域进行角色翻转，角色翻转的操作还能让新生代中的这两块区域无限重复使用下去。

注意：

1. 复制过程相当于完成了内存整理操作，复制后空闲区域就没有内存碎片。
2. 复制操作需要时间成本，为了执行效率，一般新生区的空间会被设置得比较小。
3. 新生区的空间不大，很容易被存活的对象装满整个区域，为了解决这个问题，JavaScript 引擎采用了对象晋升策略

主垃圾回收器

主垃圾回收器主要负责老生区中的垃圾回收，采用标记 - 清除（Mark-Sweep）的算法进行垃圾回收的。

老生区中的对象有两个特点：

1. 对象占用空间大
2. 对象存活时间长

老生区中不使用 Scavenge 算法进行垃圾回收原因：

1. 复制大的对象将会花费比较多的时间，导致回收执行效率不高
2. 浪费一半的空间

标记 - 清除（Mark-Sweep）的算法

1. 首先是标记过程阶段。

标记阶段就是从一组根元素开始，递归遍历这组根元素，在这个遍历过程中，能到达的元素称为活动对象，没有到达的元素就可以判断为垃圾数据。

ESP 向下移动，指向了 foo 函数的执行上下文时，标记过程如图：

• 1003 这块数据为垃圾数据，被标记为红色。
• 1050 这块数据被变量 b 引用了，所以这块数据会被标记为活动对象。

2. 垃圾的清除过程

它和副垃圾回收器的垃圾清除过程完全不同，你可以理解这个过程是清除掉红色标记数据的过程

注意：

对一块内存多次执行标记 - 清除算法后，会产生大量不连续的内存碎片。而碎片过多会导致大对象无法分配到足够的连续内存，于是又产生了另外一种算法——标记 - 整理（Mark-Compact）

标记过程仍然与标记 - 清除算法里的是一样的，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

全停顿

JavaScript 是运行在主线程之上的，一旦执行垃圾回收算法，都需要将正在执行的 JavaScript 脚本暂停下来，待垃圾回收完毕后再恢复脚本执行。我们把这种行为叫做全停顿（Stop-The-World）。

主垃圾回收器执行一次完整的垃圾回收流程

1. 在 V8 新生代的垃圾回收中，因其空间较小，且存活对象较少，所以全停顿的影响不大
2. 但老生代就不一样。如果在执行垃圾回收的过程中，占用主线程时间过久，主线程是不能做其他事情的，这将会造成页面的卡顿现象。

那么有没有什么方法解决老生代的垃圾回收而造成的卡顿？

请看下面的算法。

增量标记（Incremental Marking）算法

V8 将标记过程分为一个个的子标记过程，同时让垃圾回收标记和 JavaScript 应用逻辑交替进行，直到标记阶段完成，我们把这个算法称为增量标记（Incremental Marking）算法。

就是把一个完整的垃圾回收任务拆分为很多小的任务，这些小的任务执行时间比较短，可以穿插在其他的 JavaScript 任务中间执行。